WO2006045589A1 - Verfahren und vorrichtung zur serienherstellung von kolben für brennkraftmaschinen unter gasdruckeinwirkung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur serienherstellung von kolben für brennkraftmaschinen unter gasdruckeinwirkung Download PDF

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    • B22D27/13—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting by using pressure making use of gas pressure

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for series production of a piston for internal combustion engines according to the features of the preamble of patent claim 1.
  • casting tools which represent a negative mold for the piston blank to be produced and which are filled via a feed system with casting melt.
  • These are usually multi-part tools, consisting of two outer mold halves, a one- or multi-part core, which determines the small connecting rod eye facing inner contour of the piston and a casting bottom with a central feeder, the lings facing the combustion chamber surface of Kolbenroh ⁇ defined in the raw state. While the core and the outer mold halves remain close to one another even after the casting tool has been opened, the pouring tray is moved far away, sometimes up to two meters away from the casting tool, in order to improve access during the removal of the piston blank.
  • the inner surface of the feeder is usually lined with thermally highly insulating material.
  • the feeder which is likewise filled with molten casting, is to be kept liquid until complete solidification of the casting in order to provide sufficient melt for the make-up to compensate for the volume contraction during solidification.
  • the volume decreases by several percent. Since metal-free spaces (blowholes) must be avoided in the product in any case, the feeder is so angeord ⁇ net that z. B. due to gravity melt can flow out of it in the direction of the piston blank.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method for series production of a piston for internal combustion engines, with which the quality of the piston can be increased significantly er ⁇ .
  • the opening of the feeder in particular of the end of the feeder sleeve which is open at the top, is acted on by a gas pressure acting on the casting melt.
  • Casting floor with collar feeder is used. Exploited here is the large sealing surface between the mouth of the feeder and the piston, represented by the collar and the fact that the mouthpiece of the feeder sleeve conforms under internal pressure to the inner wall of the feeder collar and thereby safely separates the pressure chamber from the atmosphere.
  • a gas pressure is passed, which is supplied for example by a pressure line for a gas, such as nitrogen.
  • the casting melt filled into the chill casting tool is subjected to the gas pressure via the feeder sleeve before it solidifies and / or after the partial solidification of the casting melt.
  • the pressure line during the filling of the Kolbeng mantechnikmaschines with the molten casting is open to the environment.
  • the time at which the gas pressure is applied may vary and vary according to specifiable criteria.
  • the gas pressure is generated already after filling but before solidification of the casting melt. At this very early selected pressure load of the casting melt affects the Gas pressure almost on all areas of the filled G hasslescrimelze in the Kolbeng mantechnik ⁇ convincing, so that the hub structure of the piston blank can also have an effect.
  • the areas of the piston blank which are further away from the feeder sleeve can be influenced in a targeted manner in their structure, whereby, however, care must be taken to ensure that the piston mold closes very well and tightly and the gate must solidify very early, so that the gas pressure can actually rise the pourable melt present in the piston casting tool can have an effect and it is prevented that molten casting can pass outwardly from the piston casting tool as a result of the pressurization.
  • the solidification under gas pressure is known to lead to a very dense, ie almost completely void-free structure, since the volume deficit during solidification is made more secure by the acting gas pressure. While in normal chill casting only the hydrostatic pressure generated by the feeder acts, the gas pressure is added here.
  • a preferred embodiment of the invention can be seen in the fact that after filling the piston casting tool, the formation of an edge shell a solidified casting melt is waited for.
  • This edge shell made of solidified foundry melt has the advantage that thereby the gas pressure acting on the not yet solidified foundry melt is separated from the environment and thus prevents casting melt from escaping from the piston casting tool.
  • the cast melt will be added during the filling into the piston casting tool and / or after the partial solidification.
  • the addition of fiber material has the advantage that all or only certain Regions of the piston blank are reinforced by the addition of the fiber material, which is particularly advantageous that the fiber material is supplied only from a time after a peripheral shell has formed from solidified casting melt. If, for example, the bowl rim and / or the ring field of the later piston is to be reinforced with the fibers, the solidification of the filled casting melt in the hub area should also be awaited.
  • Reference numeral 1 designates a casting tool that, depending on the geometric design of the piston to be produced, consists of a plurality of molds (partial molds). These parts; of the casting tool 1 are shown here only schematically, so that it is, for example, a core 2 for the interior and a core 3 for the bolt hole.
  • the üb ⁇ rige, outer mold (or casting halves) are present, but not further described here be ⁇ .
  • casting melt is introduced into the casting mold 1 via a feed device, so that the free areas around the cores and casting molds are filled with molten casting.
  • a wall or collar 4 is formed around the feeder which holds the feeder contents in position when the casting tool is opened to realize short cycle times according to the method at a time at which the contents of the "collar feeder” 5
  • a peripheral edge 4 is formed on which a collar feeder 5 can be placed.
  • the casting melt 6 can rise to a desired level, so that above the filled casting melt 6 after the completion of the feed of casting melt within the collar feeder 5, a free space is created via which the casting melt is subjected to a gas pressure ,
  • the gas for this purpose is supplied via a pressure line 7, which is open during the filling process of the casting melt relative to the environment, so that a pressure equalization can take place.
  • a gas pressure is generated by suitable means, the then can act on the melt surface in the collar feeder 5 via the pressure line 7.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Serienherstellung eines Kolbens, wobei eine Gieß­schmelze über einen Zuführbereich in eine mehrteilige Gießform und zumindest einen Spei­ser befüllt wird, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass nach dem Gießen des Kolben­rohlings die Öffnung des nach oben hin offenen Endes der Speiserhülse mit einem auf die Gießschmelze wirkenden Gasdruck beaufschlagt wird. Die Dichtigkeit des Speisers wird durch die Verwendung eines Kragenspeisers gewährleistet.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Serienherstellung von Kolben für Brennkraftmaschi¬ nen unter Gasdruckeinwirkung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Serienherstellung eines Kol¬ bens für Brennkraftmaschinen gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspru¬ ches 1.
Bei der Serienproduktion von Kolben sind Maschinen mit Gießwerkzeugen bekannt, die eine Negativform für den herzustellenden Kolbenrohling darstellen und die über ein Zulaufsystem mit Gießschmelze befüllt werden. Es handelt sich in der Regel um mehrteilige Werkzeuge, bestehend aus zwei Außenkokillenhälften, einem ein- oder mehrteiligen Kern, welcher die zum kleinen Pleuelauge weisende Innenkontur des Kolbens festlegt und einem Gießboden mit einem zentralen Speiser, der die zum Brennraum weisende Oberfläche des Kolbenroh¬ lings im Rohzustand definiert. Während der Kern und die Außenkokillenhälften auch nach dem Öffnen des Gießwerkzeugs nah beieinander verbleiben, wird der Gießboden zur Ver¬ besserung der Zugangs bei der Entnahme des Kolbenrohlings weit weg, teilweise bis zu zwei Meter vom Gießwerkzeug fortbewegt. Die innere Oberfläche des Speisers ist in der Regel mit thermisch stark isolierendem Material ausgekleidet. Dadurch soll der ebenfalls mit Gießschmelze gefüllte Speiser bis zur vollständigen Erstarrung des Gussteils flüssig gehal¬ ten werden, um ausreichend Schmelze für die Nachspeisung zum Ausgleich der Volumen¬ kontraktion bei der Erstarrung bereitzustellen. Beim Übergang des Metalls vom flüssigen in den festen Zustand nimmt das Volumen um mehrere Prozent ab. Da metallfreie Räume (Lunker) im Produkt in jedem Fall vermieden werden müssen, wird der Speiser so angeord¬ net, dass z. B. aufgrund der Schwerkraft Schmelze aus ihm in Richtung des Kolbenrohlings nachfließen kann.
Bei den bisherigen Herstellungsverfahren für die Serienproduktionen ist bekannt, dass nach dem Einfüllen der Gießschmelze in die Gießform eine ausreichend lange Zeit abgewartet wird, während der nicht nur die in die Gießform eingefüllte Gießschmelze vollständig erstarrt, sondern auch noch derjenige Teil der Gießschmelze, der sich im Speiser befindet. Erst wenn die Gießschmelze im Speiser erstarrt ist oder zumindest eine belastbare Randschale ausge¬ bildet hat, welche den noch flüssigen Speiserinhalt in Position halten kann, darf die im Re¬ gelfall mehrteilige Gießform geöffnet und der Kolbenrohling entnommen werden. Für diesen Zeitraum, dass heißt, vom Einfüllen der Gießschmelze in die Gießform bis zum Öffnen der Gießform (sogenannte Erstarrungszeit) sind je nach Größe des herzustellenden Kolbenroh¬ lings feste Zeiten vorgegeben. Erst nach Ablauf dieser Zeit und weiterer Zeiten, die nötig sind, um die Gießform für den nächsten Gießvorgang vorzubereiten, kann der folgende Gießvorgang beginnen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Serienherstellung eines Kolbens für Brennkraftmaschinen anzugeben, mit dem die Qualität des Kolbens deutlich er¬ höht werden kann.
Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Erfindungsgemäss ist vorgesehen, dass nach dem Gießen des Kolbenrohlings die Öffnung des Speisers, insbesondere des nach oben hin offenen Endes der Speiserhülse, mit einem auf die Gießschmelze wirkenden Gasdruck beaufschlagt wird. Dies hat den Vorteil, dass der schon bekannte und sich bei der Serienherstellung von Kolben bewährte Kokillenguss mit den Vorteilen des Squeeze Casting Verfahrens verbunden wird, bei welchem das Gefüge der Gießschmelze unter Druck erstarrt. Einen besonders stabilen Prozess erhält man, wenn ausgehend von einem an sich bekannten Kokillengusswerkzeug (Kolbengießwerkzeug) ein
Gießboden mit Kragenspeiser verwendet wird. Ausgenutzt wird hierbei die große Dichtfläche zwischen dem Mundstück des Speisers und dem Kolben, dargestellt durch den Kragen und die Tatsache, dass sich das Mundstück der Speiserhülse unter Innendruck an die Innenwand des Speiserkragens anschmiegt und dadurch den Druckraum sicher von der Atmosphäre trennt. In die Öffnung des nach oben hin offenen Endes der Speiserhülse wird ein Gasdruck geleitet, der beispielsweise durch eine Druckleitung für ein Gas, wie beispielsweise Stick- stoff, zugeführt ist. Die in das Kokillengusswerkzeug eingefüllte Gießschmelze wird nach dem Füllen vor dem Erstarren und/oder auch nach dem teilweise Erstarren der Gießschmel¬ ze mit dem Gasdruck über die Speiserhülse beaufschlagt. Dabei ist vorgesehen, dass die Druckleitung während des Füllvorganges des Kolbengießwerkzeuges mit der Gießschmelze zur Umgebung hin offen ist. Der Zeitpunkt, zu dem die Gasdruckbeaufschlagung erfolgt, kann variabel und anhand vorgebbarer Kriterien variieren. So ist einerseits vorgesehen, dass der Gasdruck schon nach dem Füllen, aber noch vor dem Erstarren der Gießschmelze er¬ zeugt wird. Bei dieser sehr früh gewählten Druckbelastung der Gießschmelze wirkt sich der Gasdruck nahezu auf alle Bereiche der eingefüllten Gießscrimelze in dem Kolbengießwerk¬ zeug aus, so dass auch das Nabengefüge des Kolbenrohlings eine Wirkung erfahren kann. Damit können auch die weiter von der Speiserhülse entfernten Bereiche des Kolbenrohlings in ihrem Gefüge gezielt beeinflußt werden, wobei jedoch darauf zu achten ist, dass das KoI- bengießwerkzeug sehr gut und dicht schließt und der Anguß sehr früh erstarren muss, damit der Gasdruck auch tatsächtlich auf die sich in dem Kolbengießwerkzeug befindliche Gie߬ schmelze auswirken kann und verhindert wird, dass Gießschmelze durch die Druckbeauf¬ schlagung nach außen des Kolbengießwerkzeuges gelangen kann. Das Erstarren unter Gasdruck führt bekanntermaßen zu einem sehr dichten d.h. fast völlig lunkerfreiem Gefüge, da das Volumendefizit bei der Erstarrung durch den wirkenden Gasdruck sicherer ausgegli¬ chen wird. Während beim normalen Kokillenguss nur der hydrostatische Druck, der vom Speiser erzeugt wird, wirkt, addiert sich hier der Gasdruck hinzu. Bei reinem Schwerkraft- guss ergibt sich der Druck, der die Schmelze an die Erstarrungsfront treibt, aus dem hydro¬ statischen Druck einer Schmelzensäule von 200 bis 50 mm. Im Laufe der Erstarrung verrin- gert sich die wirksame Höhe, da die Erstarrungsfront sich auf die Oberfläche des Speisers zu bewegt. Bei zusätzlicher Beaufschlagung mit Gasdruck entspricht jedes bar Druck einer zusätzlichen Höhe an Metallsäule von rund 3 m. Da schon geringe Änderungen der Spei¬ serhöhe zu einer besseren Qualität führen, kommt es schon bei geringer zusätzlicher Druckbeaufschlagung zu einer massiven Steigerung der Homogenität des Gussteiles.
Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung ist darin zu sehen, dass nach dem Füllen des Kolbengießwerkzeuges die Ausbildung einer Randschale a us erstarrter Gießschmelze ab¬ gewartet wird. Diese Randschale aus erstarrter Gießschmelze hat den Vorteil, dass dadurch der auf die noch nicht erstarrte Gießschmelze wirkende Gasdruck von der Umgebung ge- trennt wird und damit verhindert wird, dass Gießschmelze aus dem Kolbengießwerkzeug austreten kann.
Bei den beschriebenen Verfahrensschritten mit der Beaufschlagung der Gießschmelze mit Gasdruck ist es möglich, die Druckbeaufschlagung über die> gesamte Zeitdauer konstant zu halten oder alternativ zu regeln, wobei es besonders vorteilhaft ist, im Zeitraum zwischen Beginn und Ende der Druckbeaufschlagung den Gasdruck zu steigern, so dass mit zuneh¬ mender Erstarrung der Druck erhöht wird, um ein gleichmässiges Gefüge der erstarrenden Gießschmelze zu erhalten.
Weiterhin ist vorgesehen, dass der Gießschmelze während des Einfüllens in das Kolben¬ gießwerkzeug und/oder nach dem teilweise Erstarren hitzet>eständiges Fasermaterial beige¬ geben wird. Die Beifügung von Fasermaterial hat den Vorteil, dass alle oder nur bestimmte Bereiche des Kolbenrohlings durch die Beigabe des Fasermaterials verstärkt werden, wozu besonders vorteilhaft ist, dass das Fasermaterial erst ab einem Zeitpunkt zugeführt wird, nachdem sich eine Randschale aus erstarrter Gießschmelze gebildet hat. Soll zum Beispiel gezielt der Muldenrand und / oder das Ringfeld des späteren Kolbens mit den Fasern ver- stärkt werden, sollte auch die Erstarrung der eingefüllten Gießschmelze im Nabenbereich abgewartet werden.
Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass zur Verbesserung der Dichtigkeit der Spei¬ serhülse diese mittels des Gasdruckes und / oder gegebenenfalls weiterer Mittel gegen den Kolbenboden und in den Speiserkragen zu pressen. Als weitere Mittel kommen hier zum Beispiel hydraulisch wirkende Aktuatoren in Betracht.
In der Figur wird wie folgt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und beschrei¬ ben, wobei das erfindungsgemässe Verfahren nicht auf dieses Ausführungsbeispiel be- schränkt ist.
Mit der Bezugsziffer 1 ist ein Gießwerkzeug bezeichnet, dass je nach geometrischer Gestal¬ tung des herzustellenden Kolbens aus mehreren Formen (Teilformen) besteht. Diese Teile; des Gießwerkzeuges 1 sind hier nur schematisch dargestellt, so dass es sich beispielsweise um einen Kern 2 für den Innenbereich und einen Kern 3 für das Bolzenloch handelt. Die üb¬ rige, äußere Gießform (oder auch Gießhälften) sind vorhanden, hier aber nicht weiter be¬ schrieben. In an sich bekannter Weise wird über eine Zuführeinrichtung Gießschmelze in das Gießwerkzeug 1 eingefüllt, so dass sich die freien Bereiche um die Kerne und Gießfor¬ men herum mit Gießschmelze auffüllen. Durch eine spezielle Ausgestaltung von Gießboden und Speiserhülse bildet sich um den Speiser ein Wall oder Kragen 4 der den Speiserinhalt in Position hält, wenn das Gießwerkzeug zur Realisierung kurzer Zykluszeiten verfahrensge¬ mäß zu einem Zeitpunkt geöffnet wird, bei dem der Inhalt des „Kragenspeisers" 5 noch flüs¬ sig ist. Dabei bildet sich ein umlaufender Rand 4, auf den ein Kragenspeiser 5 aufsetzbar ist.
Innerhalb des Kragenspeisers 5 kann die Gießschmelze 6 bis auf ein gewünschtes Maß an¬ steigen, so dass oberhalb der eingefüllten Gießschmelze 6 nach dem Beenden der Zufüh¬ rung von Gießschmelze innerhalb des Kragenspeisers 5 ein Freiraum entsteht, über den die Gießschmelze mit einem Gasdruck beaufschlagt wird. Das Gas hierfür wird über eine Druck- leitung 7 zugeführt, die während des Einfüllvorganges der Gießschmelze gegenüber der Umgebung hin offen ist, so dass ein Druckausgleich stattfinden kann. Nach Beendigung des Einfüllvorganges der Gießschmelze wird mit geeigneten Mitteln ein Gasdruck erzeugt, der dann über die Druckleitung 7 auf die Schmelzenoberfläche im Kragenspeisers 5 wirken kann.
Bezugszeichenliste
1. Gießwerkzeug
2. Kern 3. Kern
4. Kragen des Speisers
5. Kragenspeiser
6. Gießschmelze
7. Druckleitung

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E 1.
Vorrichtung zur Serienherstellung eines Kolbens, wobei eine Gießschmelze über einen Zu¬ führbereich in eine mehrteilige Gießform und zumindest einen Speiser einfüllbar ist, da¬ durch gekennzeichnet, dass der Speiser ein nach oben hin offenes Ende aufweist, wobei die Gießschmelze über diese Öffnung mit einem Gasdruck beaufschlagbar ist.
2.
Verfahren zur Serienherstellung eines Kolbens, wobei eine Gießschmelze über einen Zu¬ führbereich in eine mehrteilige Gießform und zumindest einen Speiser befüllt wird, gekenn¬ zeichnet durch die Verwendung eines Speisers gemäß Patentanspruch 1.
3.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasdruck nach dem Füllen des Kolbengießwerkzeuges vor dem Erstarren der Gießschmelze erzeugt wird.
4.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasdruck nach dem Füllen des Kolbengießwerkzeuges und nach dem teilweisen Erstarren der Gießschmelze erzeugt wird.
5.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Füllen des Kolbengießwerkzeuges die Ausbildung einer Randschale aus erstarrter Gie߬ schmelze abgewartet wird.
6.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gie߬ schmelze während des Einfüllens in das Kolbengießwerkzeug und/oder nach dem teilweise Erstarren hitzebeständiges Fasermaterial beigegeben wird.
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